rc회로

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본문내용

RC회로
1.실험목적
- RC회로에서 축전기의 충전과 방전현상을 이해하고 시간상수를 측정하여 전기용량을 계한할 수 있다.
- 실험장치의 전압센서를 이용하여 회로의 축전기 양단의 전압을 측정하여 회로에서의 축전기의 역할을 설명할 수 있다.
2.배경이론
(1)축전기(capacitor)
주로 전자회로에서 전하를 모으는 장치이다. 진공 축전기, 공기 축전기, 금속화종이 축전기 등이 있다. 보통 2장의 금속판을 전극으로 하고 그 사이에 절연체(유전체)를 넣은 구조로 만든다.
축전기의 용량은 두 판이 넓을수록 크고, 판 사이의 거리는 되도록이면 가까우면 서 강력하게 절연되어 있어야 한다. 서로 강력한 전기력으로 당기고 있지만 합쳐지지는 않아야 전하가 오래 머물 수 있기 때문이다. 축전기는 도체가 서로 분리되어 있기 때문에 전류를 통과시키지 않으므로 저항과는 다르고, 다양한 전압 값을 가질 수 있도록 충전되기 때문에 하나의 전압만 산출하는 전원(배터리)과도 다르다. 축전기는 전류를 생산하는 것이 아니므로 발전기와도 다르다. 축전기는 전기 에너지의 저장소이다.
(2)축전기의 전기용량(capacitance)
(3)축전기의 충전
(4)축전기의 방전
(5)RC회로
RC회로란 R은 저항기를 의미하고 C는 축전기를 의미합니다. 즉 회로 상에서 저항기와 축전기가 같이 연결되어 있는 경우를 말합니다.
(6)전원 공급 장치 필터로 쓰이는 축전기
(7)충전: 축전기의 전하는 시간에 따라 증가합니다.
시간상수: 충전을 시작하여 최댓값의 63.2%의 전하가 충전될 때 까지 걸리는 시간
(8)방전: 축전기의 전하가 시간에 따라 감소합니다.
시간이 인 경우, 전하는 최댓값의 36.8%로 감소
(9)시간상수
3.실험방법
1) Data-Studio를 실행시키고 ‘P50 RC circuit’을 선택한다.
2)‘Setup’을 열어 설정치를 4V와 200Hz로 설정해준다.
3) 아래 그림과 같이 회로를 구성한다.
4) 회로를 구성하는데 첫 번째로 100를 연결한다.
5) 저항 값으로 100을 연결하고 실험을 하여 그래프를 분석한다.
6) 저항 값으로 330을 연결하고 실험을 하여 그래프를 분석한다.
7) 두 번째로 330를 연결한다.
8) 저항 값으로 330을 연결하고 실험을 하여 그래프를 분석한다.
9) 위 실험값들을 한눈에 볼 수 있도록 동일한 평면그래프 상에 나타낸다.
10) 키르히호프의 법칙을 그래프로 나타내어 본다.
4.실험결과
( 그래프 1 ) 100와 100
( 그래프 2 ) 100와 330
( 그래프 3 ) 330와 330
( 그래프 4 ) 전체
( 그래프 5 ) 키르히호프의 법칙
5.고찰
( 그래프 1 )과 ( 그래프 2 )는 같은 용량의 커패시터를 사용하였지만 충전까지 걸리는 시간이 ( 그래프 2 )가 더 오래 걸린다는 것을 알 수 있다. 이는 ( 그래프 2 )의 저항 값이 더 크기 때문이다. ( 그래프 3 )은 ( 그래프 2 )와 같은 저항을 사용하였지만 훨씬 용량이 큰 커패시터를 사용하였기 때문에 충전까지 걸리는 시간이 더욱 길어진 것을 볼 수 있다. ( 그래프 4 )를 보면 커패시터의 용량과 저항 값에 따라 충전시간이 점점 길어지는 것을 알 수 있다. ( 그래프 5 )에서는 ‘키르히호프의 법칙’을 설명하고 있다. 첫 번째가 입력된 전압인데, 이는 아래의 두 그래프의 합과 같음을 알 수 있다. 바로 전하량 보존법칙 때문이다.
< 오차분석 >
구 분
R()
C()
R*C*0.693
(S)
%차이
그래프 1
100
0.0001
0.00693
0.0075
8.2%
그래프 2
330
0.0001
0.022869
0.0245
7.1%
그래프 3
330
0.00033
0.0754677
0.0865
14.6%
6.질문&답
(1)220V, 60Hz의 교류를 다이오드로 축전기를 사용하지 않고 정류할 경우 출력전압이 최대치에서 0으로 감소하는데 걸리는 시간은?
-교류전류를 다이오드만 이용해서 정류하면 전파정류가 된다. 60Hz는 1초에 60번 진동한다는 뜻 이므로, 한번 진동하는데 1/60초가 걸리게 된다. 전파 정류된 형태에서 최대치에서 0까지 걸리는 시간은 전체진동의 1/4와 같으므로 따라서 1/240초가 걸리게 된다.
(2)C=4.7인 축전기와 R=220인 저항을 직렬로 연결한 회로가 최대 충전량의 절반까지 충전되는데 걸리는 시간은 얼마인가?
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(3)위 회로가 방전될 때 최대 충전량의 로 방전되는데 걸리는 시간을 계산하라
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(4)위 회로를 이용하여 정류회로를 만든다면 초 동안 방전 후 전압을 최대 전압과 비교하라.
-커패시터와 다이오드를 이용해서 정류를 하게 되면 2-(6)의 그림과 같이 최대치에서 0까지 떨어지지 않는 모습을 볼 수 있다. 1/240초 동안 방전이 된 후 라고 하더라도 최대치와 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다.
(5)위 회로를 3V직류전원에 연결한 후 스위치를 연결한 경우 최대 충전량을 구하라.
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(6)위 회로에서 축전기를 충전시킨 후 전원을 제거하여 방전시키는 경우 충전 전하의 변화는 시간에 따라 다음 식과 같이 변한다. 이 때 회로에 흐르는 전류를 시간의 함수로 구하라.
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키워드

rc회로,   축전기의 충전,   방전현상,   시간상수